专利名称：基于数字图像的无标靶多光轴平行度检测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于数字图像的无标靶多光轴平行度检测系统，属于光电成像领域。
背景技术：
随着科学技术的发展，集诸如激光测距仪等光电成像系统于一体的武器系统正在越来越多地应用于现代化战争装备之中。武器系统自身具有瞄准轴和弹丸发射轴，其中，瞄准轴通常用光电成像系统(如CCD、热成像系统等)，其光轴被认为是成像器件的中心，在显示端由十字叉丝标志出来，输出带十字分划的场景图像；对于火炮来说，弹丸发射轴为炮轴。在增加激光测距仪后，武器系统又增加了激光轴，形成了多光轴的系统。为了最大限度的发挥光电成像系统的效能，必须保证多光轴系统中各光轴的平行。
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对于武器系统来说，为了保证瞄准轴、弹丸发射轴和激光轴之间相互平行，就需要对三轴进行两两之间的平行度检测和校准。在对激光轴和弹丸发射轴进行平行度的检测和校正，继而对激光轴和瞄准轴进行平行度检测和校正之后，可以通过激光轴的转换关系得到瞄准轴和弹丸发射轴之间的不平行度。目前，要对激光轴、弹丸发射轴和瞄准轴三者两两之间进行平行度检测，可以考虑采用现有的国内外典型多光轴平行度检测方法，例如投影板靶法、大口径平行光管法、分光路法等。( I)投影板靶法，既可用于望远镜镜筒的光轴平行度检测，也适用于激光测距机光轴与其他装置光轴平行度的检测，该方法采用标靶，依据人眼的主观判识，因此操作复杂，不能保证可靠精度，而且需要依靠大量的人工操作；(2)大口径平行光管法和分光路法，均采用了复杂的分光路结构，由于分光路结构在使用时需要进行光路的严格调整，因此操作不方便；它们均涉及到光管与分光路结构，对环境要求高，当环境不能达到其要求时，系统稳定性不能得到保障，因此会影响到平行度校准精度；而且，由于激光轴和弹丸发射轴(或瞄准轴)之间基线距离较大，要求系统光路较长，系统笨重，适用性差。由此可见，可以应用于激光光轴、弹丸发射轴与观瞄光轴两两之间平行度检测的现有方案，其具有操作复杂，对环境依赖性强，不能够保证系统稳定性和平行度的校准精度的问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于数字图像的无标靶多光轴平行度检测系统，主要用于检测武器装备中光轴之间的平行度，能够降低操作的复杂程度，同时降低对环境的依赖性，能够保证系统稳定性和平行度的校准精度。为了达到上述目的，本发明提供了一种基于数字图像的无标靶多光轴平行度检测系统，包括背对背式激光场景视频采集器、弹丸发射轴光电成像系统、融合模块和平行度检测模块；所述的背对背式激光场景视频采集器安装在激光测距机的激光出口前，包括第一光电成像系统和第二光电成像系统，两者共轴且背对背固定，其中第一光电成像系统面对激光测距机的激光出射口，用于采集激光光斑图像，第二光电成像系统面对场景，用于采集场景图像，采集到得激光光斑图像和场景图像均发送到融合模块；所述的弹丸发射轴光电成像系统固定在弹丸发射腔出口处，弹丸发射轴光电成像系统的镜头中带有十字分划，用弹丸发射轴光电成像系统采集第一幅带十字分划的场景图像，十字分划的中心位置表征着弹丸发射轴的方向，将所述第一幅带十字分划的场景图像发送到平行度检测模块；所述的融合模块，用于对输入到融合模块的激光斑点图像和场景图像进行图像融合处理，得到激光场景融合图像，将所述激光场景融合图像发送到平行度检测模块；所述的平行度检测模块，用于对输入的第一幅带十字分划的场景图像和激光场景 融合图像进行图像配准处理，将第一幅带十字分划的场景图像中的十字分划投影到激光场景融合图像中，得到配准图像；所述的配准图像，包括一个十字分划、一个激光斑点，激光斑点位置代表激光轴、十字分划中心位置代表弹丸发射轴，根据配准图像中的十字分划的中心位置与激光斑点位置之间偏差量，计算得到激光轴与弹丸发射轴水平夹角和竖直夹角，即得到激光轴与弹丸发射轴平行度。为了检测观瞄光轴与上述激光轴与弹丸发射轴的平行度，该系统进一步包括观瞄光轴光电成像系统；所述的观瞄光轴光电成像系统固定在观瞄光轴上，通过瞄准镜采集第二幅带十字分划的场景图像，图像中十字分划的中心位置表征着观瞄光轴的方向，将所述第二幅带十字分划的场景图像发送到平行度检测模块；所述的平行度检测模块，进一步采用输入的第二幅带十字分划的场景图像将第二幅带十字分划的场景图像中的十字分划投影到所述激光场景融合图像中，得到最终的配准图像；所述最终的配准图像，包括两个十字分划、一个激光斑点，激光斑点位置代表激光轴、两十字分划中心位置分别代表弹丸发射轴和观瞄光轴，根据配准图像中的两十字分划的中心位置与激光斑点位置两两之间偏差量，计算得到激光轴、弹丸发射轴与观瞄光轴两两之间的水平夹角和竖直夹角，即得到激光轴、弹丸发射轴与观瞄光轴两两之间的平行度。本发明还提供了一种基于数字图像的无标靶多光轴平行度检测系统，包括背对背式激光场景视频采集器、观瞄光轴光电成像系统、融合模块和平行度检测模块；所述的背对背式激光场景视频采集器安装在激光测距机的激光出口前，包括第一光电成像系统和第二光电成像系统，两者共轴且背对背固定，其中第一光电成像系统面对激光测距机的激光出射口，用于采集激光光斑图像，第二光电成像系统面对场景，用于采集场景图像，采集到得激光光斑图像和场景图像均发送到融合模块；所述的观瞄光轴光电成像系统固定在观瞄光轴上，通过瞄准镜采集带十字分划的场景图像，图像中十字分划的中心位置表征着观瞄光轴的方向，将所述带十字分划的场景图像发送到平行度检测模块；
所述的融合模块，用于对输入到融合模块的激光斑点图像和场景图像进行图像融合处理，得到激光场景融合图像，将所述激光场景融合图像发送到平行度检测模块；所述的平行度检测模块，用于对输入的带十字分划的场景图像以及激光场景融合图像进行图像配准处理，将带十字分划的场景图像中的十字分划投影到激光场景融合图像中，得到最终的配准图像；所述的配准图像，包括一个十字分划、一个激光斑点，激光斑点位置代表激光轴、十字分划中心位置代表观瞄光轴，根据配准图像中的十字分划的中心位置与激光斑点位置之间偏差量，计算得到激光轴与观瞄光轴之间的水平夹角和竖直夹角，即得到激光轴与观瞄光轴之间的平行度。其中，对于一些具有观瞄视频信号采集系统的武器装备，所述的观瞄光轴光电成像系统可以直接采用武器装备自带的观瞄视频信号采集系统。
本发明的有益效果(1)本发明无复杂的分光路结构，操作方便，系统稳定性好，精度可靠；(2)本发明不使用标靶，在不需要依靠大量的人工操作的基础上，可以实现无标靶在线检测多光轴平行度；⑶本发明采用数字图像处理方法，对环境以及人眼主观判断的依赖性小，从而能够提高检测精度；⑷本发明对不同型号的激光测距机和弹丸发射轴等武器装备，均有一定的适用性。
图I为本发明的工作原理图；图2为同轴背对固定光电成像系统成像匹配原理；图3为配准图像中激光光斑与十字分划相对位置示意具体实施例方式本发明提供了一种基于数字图像的无标靶多光轴平行度检测系统，用于检测武器系统中的激光光轴、弹丸发射轴与观瞄光轴两两之间的平行度。平行度检测的基本思路为利用背对背激光场景视频采集器同时采集激光和场景图像，输入融合模块生成激光场景融合图像，利用弹丸发射轴光电成像系统采集第一幅带十字分划的场景图像，用观瞄光轴光电成像系统获得第二幅带十字分划的场景图像。将激光场景融合图像和第一幅带十字分划的场景图像输入平行度计算模块，获得激光光轴与弹丸发射轴的平行度；将激光场景融合图像和第二幅带十字分划的场景图像输入平行度计算模块，获得激光光轴与观瞄光轴的平行度；以激光光轴为基准，利用几何变换关系，获得弹丸发射光轴与观瞄光轴的平行度。可见本发明在不使用复杂的分光路结构和标靶的情况下实现了对多光轴平行度的检测，对环境以及人眼主观判断的依赖性小，且对不同型号的激光测距机和弹丸发射轴等武器装备均有一定的适用性。下面结合附图并针对本系统一种较优的实施例针的多光轴平行度检测过程进行详述本方法检测火炮中激光测距机光轴、炮轴和观瞄光轴间的平行度的过程如下如图I所示，本实施例的基于数字图像的无标靶多光轴平行度检测系统包括背对背式激光场景视频采集器、弹丸发射轴光电成像系统、观瞄光轴光电成像系统、融合模块和平行度检测模块。第一步将背对背式激光场景视频采集器安装在激光测距机的激光出口前，背对背式激光场景视频采集器由第一光电成像系统和第二光电成像系统组成，两者共轴且背对背固定，其中第一光电成像系统面对激光测距机的激光出射口，用于采集激光光斑图像，第二光电成像系统面对场景，用于采集场景图像。其中，第一光电成像系统采用对激光敏感的成像器件，第二光电成像系统为可见光光电成像系统；本实施例中，选择第一光电成像系统为近红外光电成像系统。第二步将激光光斑图像和场景图像输入融合模块，生成激光场景融合图像。由于第一光电成像系统与第二光电成像系统由机械固定，不存在相对运动，所以两个光电成像系统采集到的图像间存在唯一的几何映射关系，并且这种映射关系可以通过系统标定获得。将上述映射关系存入融合模块，利用融合模块就可将激光光斑图像和场景图像融合在一起生成激光场景融合图像，其中激光光斑位置表征激光方向。
激光光斑图像和场景图像的映射关系如图2所不。激光束AB与第一光电成像系统镜头的主平面交于B点，经镜头会聚到像面C点。根据几何成像原理，显然有ABzVO1C(I)设C点在激光光斑图像矩阵中像素行列坐标为(mlasOT，nlasJ，第一光电成像系统的瞬时视场为P1Xq1,。如图2，分别建立第一光电成像系统坐标系O1-XiyiZ1与第二光电成像系统坐标系
02-x2y2z2,贝U C点在坐标系O1-Xj1Z1中的坐标为' (HilaserP1, Iilase^q1, _1),进而激光的方向可以用向量表示二 fIim1aserΡ , U，-1)(2)设O1-X1Y1Z1坐标系与02-x2y2z2坐标系的旋转变换矩阵为R,位移向量为T,即
_.r2] prV2 =R V1 +T(3)
3 J2 U 丄则向量@在02_x2y2z2坐标系中可以表示为
__ "^cl xO1pci WtcelPxC^C= Vc - Jq =R Vc =Rfl U(4)
Zn>7Zr,— I
L CJ2 ,O1 _2 L CJiLJi
^xcI卜式中，yc表示点C在02-x2y2z2坐标系下坐标，yq表示点O1在02_x2y2z2坐标系
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'叫\ mIaserPl
下坐标，>’c表示点C在O1-XJ1Z1坐标系下坐标， 表示点(HIlaselP^ IIlasel^q1、-I)在
_zciL -1 Ji
O1-X1Y1Z1坐标系下坐标，Cmlaser, nlaser)为D点在场景图像矩阵中像素的行列坐标。
权利要求
1.一种基于数字图像的无标靶多光轴平行度检测系统，其特征在于包括背对背式激光场景视频采集器、弹丸发射轴光电成像系统、融合模块和平行度检测模块； 所述的背对背式激光场景视频采集器安装在激光测距机的激光出口前，包括第一光电成像系统和第二光电成像系统，两者共轴且背对背固定，其中第一光电成像系统面对激光测距机的激光出射口，用于采集激光光斑图像，第二光电成像系统面对场景，用于采集场景图像，采集到得激光光斑图像和场景图像均发送到融合模块； 所述的弹丸发射轴光电成像系统固定在弹丸发射腔出口处，弹丸发射轴光电成像系统的镜头中带有十字分划，用弹丸发射轴光电成像系统采集第一幅带十字分划的场景图像，十字分划的中心位置表征着弹丸发射轴的方向，将所述第一幅带十字分划的场景图像发送到平行度检测模块； 所述的融合模块，用于对输入到融合模块的激光斑点图像和场景图像进行图像融合处理，得到激光场景融合图像，将所述激光场景融合图像发送到平行度检测模块； 所述的平行度检测模块，用于对输入的第一幅带十字分划的场景图像和激光场景融合图像进行图像配准处理，将第一幅带十字分划的场景图像中的十字分划投影到激光场景融合图像中，得到配准图像； 所述的配准图像，包括一个十字分划、一个激光斑点，激光斑点位置代表激光轴、十字分划中心位置代表弹丸发射轴，根据配准图像中的十字分划的中心位置与激光斑点位置之间偏差量，计算得到激光轴与弹丸发射轴水平夹角和竖直夹角，即得到激光轴与弹丸发射轴平行度。
2.如权利要求I所述的一种基于数字图像的无标靶多光轴平行度检测系统，其特征在于该系统进一步包括观猫光轴光电成像系统； 所述的观瞄光轴光电成像系统固定在观瞄光轴上，通过瞄准镜采集第二幅带十字分划的场景图像，图像中十字分划的中心位置表征着观瞄光轴的方向，将所述第二幅带十字分划的场景图像发送到平行度检测模块； 所述的平行度检测模块，进一步采用输入的第二幅带十字分划的场景图像将第二幅带十字分划的场景图像中的十字分划投影到所述激光场景融合图像中，得到最终的配准图像； 所述最终的配准图像，包括两个十字分划、一个激光斑点，激光斑点位置代表激光轴、两十字分划中心位置分别代表弹丸发射轴和观瞄光轴，根据配准图像中的两十字分划的中心位置与激光斑点位置两两之间偏差量，计算得到激光轴、弹丸发射轴与观瞄光轴两两之间的水平夹角和竖直夹角，即得到激光轴、弹丸发射轴与观瞄光轴两两之间的平行度。
3.如权利要求2所述的一种基于数字图像的无标靶多光轴平行度检测系统，其特征在于所述观瞄光轴光电成像系统为武器装备自带的观瞄视频信号采集系统。
4.一种基于数字图像的无标靶多光轴平行度检测系统，其特征在于包括背对背式激光场景视频采集器、观瞄光轴光电成像系统、融合模块和平行度检测模块； 所述的背对背式激光场景视频采集器安装在激光测距机的激光出口前，包括第一光电成像系统和第二光电成像系统，两者共轴且背对背固定，其中第一光电成像系统面对激光测距机的激光出射口，用于采集激光光斑图像，第二光电成像系统面对场景，用于采集场景图像，采集到得激光光斑图像和场景图像均发送到融合模块；所述的观瞄光轴光电成像系统固定在观瞄光轴上，通过瞄准镜采集带十字分划的场景图像，图像中十字分划的中心位置表征着观瞄光轴的方向，将所述带十字分划的场景图像发送到平行度检测模块； 所述的融合模块，用于对输入到融合模块的激光斑点图像和场景图像进行图像融合处理，得到激光场景融合图像，将所述激光场景融合图像发送到平行度检测模块； 所述的平行度检测模块，用于对输入的带十字分划的场景图像以及激光场景融合图像进行图像配准处理，将带十字分划的场景图像中的十字分划投影到激光场景融合图像中，得到最终的配准图像； 所述的配准图像，包括一个十字分划、一个激光斑点，激光斑点位置代表激光轴、十字分划中心位置代表观瞄光轴，根据配准图像中的十字分划的中心位置与激光斑点位置之间偏差量，计算得到激光轴与观瞄光轴之间的水平夹角和竖直夹角，即得到激光轴与观瞄光轴之间的平行度。
5.如权利要求4所述的一种基于数字图像的无标靶多光轴平行度检测系统，其特征在于所述观瞄光轴光电成像系统为武器装备自带的观瞄视频信号采集系统。
全文摘要
本发明为一种基于数字图像的多光轴平行度检测系统，涉及光电成像领域。本发明利用背对背激光场景视频采集器同时采集激光和场景图像，输入融合模块生成激光场景融合图像，利用弹丸发射轴摄像机采集第一幅带十字分划的场景图像，用观瞄摄像机获得第二幅带十字分划的场景图像。将激光场景融合图像、第一幅带十字分划的场景图像和第二幅带十字分划的场景图像输入平行度计算模块，得到带有两个十字分划和一个激光光斑的配准图像，由此配准图像可以计算得到激光轴、弹丸发射轴和观瞄光轴三者两两之间的平行度。本发明适用于多光轴平行度的检测，包括但不限于检测武器装备的瞄准轴、激光轴和弹丸发射轴三轴的平行度。
文档编号G01B11/27GK102818543SQ201210297839
公开日2012年12月12日 申请日期2012年8月20日 优先权日2012年8月20日
发明者王霞, 张勇, 路陆, 王晨如, 金伟其 申请人:北京理工大学